裂解气压缩机无法高负荷运行原因分析及对策探究

龚春雷，李辉源

（中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060）

1 装置概况及现状

某石化公司乙烯装置建有4台裂解炉，年产乙烯量为16万t。裂解气压缩机于2016年完成改造，机组采用沈阳鼓风机2MCL706+2MCL608压缩机，杭州汽轮机型号为EHNK40/45/60的蒸汽轮机。改造后运行初期进行标定，装置负荷可以达到75t/h，压缩机送出气量可以达到70t/h。2017年年底开始，压缩机负荷逐步降低，压缩机无法达到高负荷运行，装置裂解炉负荷基本维持在不足70t/h的投油量，而压缩机透平高、低压阀基本全开，完全没有调整余量，压缩机运行负荷无法提高，装置只能维持低负荷生产。

2 原因分析

裂解气压缩机无法高负荷运行最直接的原因：一是压缩机结焦严重，流道、叶轮堵塞造成裂解气通过性差，造成压缩机负荷变低；二是透平通流部分结垢，蒸汽流通量减少，造成汽轮机动力不足，导致压缩机无法高负荷运行；三是透平内件损坏，内耗增加，效率降低，导致压缩机无法高负荷运行；四是汽轮机蒸汽供气量不足，在乙烯装置表现为裂解炉高压蒸汽量发生量不足，造成汽轮机动力不足无法高负荷运行。

2.1 压缩机内部结焦可能性分析

（1）从日常操作来看，压缩机注水能够正常注入，压缩各段温度均控制在92℃以内，压缩机阻聚剂也正常注入，按照以往机组检修经验，可以控制压缩机的结焦速率。

（2）通过S8000在线监测系统，查询汽轮机轴振动、轴位移，压缩机轴振动、轴位移，均在正常范围内没有发生明显的变化。

（3）从压缩机运行工艺参数来看，压缩机各段压力均正常，各段间压力没有超压的现象，压缩机送出量正常。

因此，从压缩机运行参数可以排除压缩机内部结焦的问题。

2.2 透平内部结垢可能性分析

（1）轮式压力分析，透平结垢可以从透平轮室压力做出初步判断，ΔP=（P-P0）/P0，其中P为运行后期轮室压力，P0为初始的轮室压力。当ΔP>10%，认定为汽轮机内部结垢，需及时进行清理。2016年改造后开车的轮室压力为5.6MPa，从2018年年初透平轮室压力基本在5.7MPa左右。轮室压力相对增加值没有超过初始值的10%，从轮室压力初步判断透平没有结垢。

（2）透平水质分析，首先，透平结垢主要组成为SiO2，结垢的必要条件是水中SiO2超标，从锅炉水出口水质分析数据和透平凝液分析数据进行判断，锅炉炉水和透平凝液中SiO2含量均在指标范围内，没有异常情况。

（3）湿蒸汽吹扫验证，为了排除水质分析和轮室压力的误判，利用装置裂解炉烧焦压缩机低负荷的机会，对蒸汽透平进行湿蒸汽吹扫，并间隔记录透平凝液中SiO2的含量，湿蒸汽吹扫过程中SiO2的含量基本没有发生变化。因此，判定汽轮机内部并没有结垢。

由以上分析可以确定透平蒸汽流通通道不存在结垢的问题。

2.3 透平内件损坏可能性分析

透平内件损坏，内耗增加，会造成动力不足。从透平结构分析，透平喷嘴的冲刷损伤会造成透平内耗的增加；内气封的损伤，密封性能下降，也会造成透平功耗的增加。排除其他内部原因后，可以判定汽轮机内件损坏造成了裂解气压缩机低负荷运行。在多年的汽轮机检修中，内气封损坏问题情况比较常见，其影响程度也不会导致汽轮机耗气量大幅升高。在汽轮机运行过程中，由于蒸汽品质不良使喷嘴金属腐蚀和结垢，会严重影响汽轮机效率，大幅度增加蒸汽的耗量，造成压缩机无法高负荷运行。

2.4 对裂解炉高压蒸汽发生量进行分析

裂解气压缩机所用高压蒸汽由装置裂解炉产出，蒸汽发生量与炉子负荷密切相关。透平设计工况：当压缩机进蒸汽量为75t/h，高压蒸汽温度500℃，压力为10.1MPa，转速7104r/min，抽气量50t/h，功率达到正常功率8997kW。从各炉蒸汽发生量来看（见表1），四台裂解炉全部投油时，高压蒸汽的发生量能够达到75t/h以上，温度在494℃以上，高压蒸汽压力高于10.1MPa。由此可见，蒸汽发生量理论上是富裕的。

表1 2019年4月蒸汽相关数据表

但是，装置实际运行时随着负荷的提高，汽轮机高压蒸汽进气压力会逐步下降，转速无法提高，最终无法满足机组运行要求，从而又需要降低负荷维持运行。该操作问题表现出高压蒸汽量随着负荷的升高无法再继续提高，裂解炉有产气不足的现象，透平蒸汽量在边界量运行。因此，产气量不富裕是压缩机效率降低后不能高负荷运行的外部原因。

3 检修验证及对策

3.1 汽轮机

2019年大检修打开汽轮机和压缩机时检查发现（见图1），部分喷嘴有明显的冲蚀现象，部分喷嘴损伤超过15mm，隔板及喷嘴表面有明显水痕并附着有白色物质。由于喷嘴的冲刷损坏，气流偏流导致气室及内气封被冲刷，透平各级内气封多处损坏。压缩机高压缸内部相对比较干净，阻聚效果良好，能充分说明我们之前的判断，汽轮机喷嘴的损伤造成裂解气压缩机无法高负荷运行的论点是正确的。

图1 汽轮机喷嘴损伤情况

汽轮机喷嘴损伤的原因通常有以下几种：机械损伤、水击损伤、腐蚀和锈蚀损伤、运行管理不当。从装置的运行情况分析，首先，在近一年蒸汽温度有过较大波动，单炉高压蒸汽温度曾接近于饱和温度314℃，高压蒸汽总管温度也因此被拉低，在喷嘴处不饱和蒸汽可以对喷嘴外缘形成冲刷破坏。其次，蒸汽PH值控制较高，炉水中的PH值过高，会造成游离NAOH过多，容易引起碱性脆裂。

因此，为保障压缩机高负荷运行应该对驱动蒸汽品质进行管控。第一，控制蒸汽温度。严格监视主蒸汽温度，当裂解炉单炉高压蒸汽温度低于饱和温度314℃，需将高压蒸汽切除管网，以免不饱和的蒸汽进入汽轮机造成内件损伤。第二，控制PH值符合指标，细致调节助剂的注入浓度和注入量受控，保证高压蒸汽PH在指标范围内。

3.2 裂解炉

裂解炉产汽量受原料品质、投料负荷、裂解炉热效率等因素影响，其中SLE的换热效果对裂解炉产汽率起到了关键作用。本案四台裂解炉SLE使用周期较长，而且四台裂解炉SLE均出现失效堵管的现象，某一单台裂解炉堵管率超过10%（总80组SLE，堵管10组），从而导致高压蒸汽产出量不足。其次，裂解炉对流段预热盘管目的之一是对锅炉给水进行预热，因此，对流段换热效果也会影响SLE发生超高压蒸汽的产量。装置裂解炉未设置对流段吹灰器，在历次检修中对流段积灰比较严重，也会对高压蒸汽的产量产生影响。

因此，为提高产气量我们做了以下调整措施：第一，优化裂解炉烧焦方案，将高温烧焦时间延长，对急冷器内管进行有效烧焦，提高了急冷器换热效果，增加了蒸汽发生量。第二，定期对裂解炉对流段盘管进行化学清洗，增强对流段换热效果，提高了裂解炉的热效率。

4 结语

本文通过汽轮机喷嘴组进行更换、内气封修复、急冷器SLE更新、对流段化学清洗等措施实施后，裂解炉高压蒸汽发生量得到了大大的提高，透平的效率也得到了提升，开车后负荷稳定在74t/h，较之前增加6t/h，当裂解炉在负荷在76t/h标定时，透平高压阀开度在93%，低压阀开度为50%左右，高、低压阀仍然有调整的空间，压缩机整体效率明显提高。今后为了长期保持压缩机高效运行，还需对机组进行严格管控。